水環(huán)真空泵工作液系統(tǒng)改造分析

鄭立國(guó)， 韓泓池

（中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

0 引言

隨著我國(guó)火力發(fā)電的快速發(fā)展，技術(shù)也在不斷進(jìn)步，抽真空系統(tǒng)設(shè)備由起初中小機(jī)組的射水抽氣器和射汽抽氣器逐漸被水環(huán)真空泵所代替。抽真空采用真空泵設(shè)計(jì)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，效率高，運(yùn)行維護(hù)方便，已普遍用于各火力發(fā)電廠(chǎng)。但在實(shí)際使用中，水環(huán)真空泵往往因被抽吸氣體的狀態(tài)和工作液的溫度影響導(dǎo)致其工作性能不理想，機(jī)組不能維持穩(wěn)定和高效的運(yùn)行。針對(duì)某工程真空泵實(shí)際運(yùn)行出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合本工程工業(yè)抽汽需要連續(xù)補(bǔ)充除鹽水的特點(diǎn)，提出了工作液密封系統(tǒng)的改造方案，改善真空泵工作的內(nèi)環(huán)境，有利于真空泵的安全運(yùn)行和提高機(jī)組的出力。

1 水環(huán)真空泵工作原理

水環(huán)真空泵內(nèi)裝有帶固定葉片的偏心轉(zhuǎn)子，并由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以使工作液在泵體內(nèi)形成數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的液環(huán)，同時(shí)，由于這種偏心的安裝，不但形成了一個(gè)軸向的壓降，還有一個(gè)上下的絕對(duì)壓降，這一壓降形成對(duì)氣體的吸入動(dòng)力。葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液環(huán)在葉輪的兩個(gè)葉片之間脈動(dòng)，中間封閉著吸入的氣體。在吸入側(cè)，液環(huán)逐漸遠(yuǎn)離葉輪輪轂[1]，氣體通過(guò)圓盤(pán)上的吸入口軸向進(jìn)入泵體，并在液環(huán)帶動(dòng)下徑向擴(kuò)散，在排出口，氣體被壓縮并通過(guò)排氣口排出，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)氣體排送。

2 水環(huán)真空泵冷卻系統(tǒng)[2]

冷卻水系統(tǒng)對(duì)于真空泵的運(yùn)行尤為重要，真空泵的冷卻水系統(tǒng)主要分為外冷卻系統(tǒng)和內(nèi)冷卻系統(tǒng)。外冷卻系統(tǒng)主要用來(lái)冷卻內(nèi)冷卻系統(tǒng)的工作液，水源一般為電廠(chǎng)開(kāi)式循環(huán)水或閉式除鹽水；內(nèi)冷卻系統(tǒng)工作液水源為除鹽水，通過(guò)換熱器工作液被外冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，進(jìn)而冷卻吸入的壓縮氣體和密封葉輪與圓盤(pán)之間的間隙。工作液的溫度影響機(jī)組的背壓和出力[3]，溫度越低越有利于機(jī)組運(yùn)行，而工作液的溫度受換熱器的面積和外冷卻系統(tǒng)介質(zhì)溫度的影響，當(dāng)換熱器面積余量不足，外冷卻水溫比較高時(shí)，工作液的溫度會(huì)比較高，比如夏季時(shí)可能會(huì)達(dá)到50 ℃，這樣無(wú)法保證抽真空系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖1 為不同工作液溫度的真空泵特性曲線(xiàn)圖，從圖1 可以看出，工作液溫度對(duì)真空泵影響較大，特別是在抽氣壓力比較低的情況下影響更加明顯，而電廠(chǎng)真空泵的工作抽氣壓力正好在此范圍內(nèi)。

圖1 不同工作液溫度的真空泵特性曲線(xiàn)

3 實(shí)際運(yùn)行存在的問(wèn)題

隨著水環(huán)真空泵工作時(shí)間的延長(zhǎng)，由于真空泵的功耗和水蒸氣釋放汽化潛熱都會(huì)造成工作液溫度不斷升高，而工作液溫度的升高使真空泵抽氣能力下降，進(jìn)而使凝汽器真空降低，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起真空泵汽蝕，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。工作液的設(shè)計(jì)溫度為15 ℃，而實(shí)際運(yùn)行中均高于這一溫度。

本工程真空泵工作液采用開(kāi)式循環(huán)水冷卻，循環(huán)冷卻水溫度受室外氣溫的影響，特別是夏天，隨著循環(huán)水溫度升高，真空泵工作液溫度將遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在以下問(wèn)題。

3.1 真空不足影響機(jī)組出力

機(jī)組投運(yùn)以來(lái)大部分時(shí)間都能夠?qū)崿F(xiàn)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，但到了夏季，尤其是氣溫比較高的7—8 月份，當(dāng)機(jī)組出力達(dá)到90%額定出力時(shí)，再提高出力非常困難，經(jīng)調(diào)各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)發(fā)現(xiàn)，凝汽器的真空比較低，對(duì)凝汽器真空泄漏進(jìn)行了檢查，不存在問(wèn)題，最后發(fā)現(xiàn)真空泵的外冷卻循環(huán)水溫度比較高，超過(guò)了33 ℃，換熱器沒(méi)有足夠的換熱面積余量，導(dǎo)致工作液溫度將近50 ℃，已完全達(dá)飽和氣化狀態(tài)，真空泵不能正常工作，凝汽器內(nèi)存有大量的不凝氣體。

3.2 水環(huán)真空泵汽蝕

真空泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若局部區(qū)域工作液的絕對(duì)壓力降低到當(dāng)時(shí)溫度下的工作液汽化壓力時(shí)，工作液便在該處開(kāi)始汽化并產(chǎn)生大量蒸汽氣泡。這些細(xì)微的氣泡極易破碎，破碎的過(guò)程中會(huì)對(duì)葉輪產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，久而久之葉輪穿孔，最終因無(wú)法修補(bǔ)而被迫更換葉輪，嚴(yán)重影響設(shè)備安全、高效運(yùn)行。

機(jī)組停運(yùn)期間對(duì)葉輪進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)葉輪局部有凹凸不平的小坑，葉輪已經(jīng)產(chǎn)生了一定的破壞，但發(fā)現(xiàn)比較及時(shí)，影響比較小。

3.3 水環(huán)真空泵結(jié)垢[4]

真空泵停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)葉輪、換熱器、管路等與工作液接觸的部分出現(xiàn)不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，其主要原因是工作液的溫度偏高，出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，再加上工作液水質(zhì)的硬度超標(biāo)導(dǎo)致結(jié)垢。設(shè)備結(jié)垢后換熱器端差加大，會(huì)影響傳熱，內(nèi)環(huán)境變差，結(jié)垢的速度會(huì)越來(lái)越快，形成不利循環(huán)。

4 改造方案

機(jī)組實(shí)際運(yùn)行存在問(wèn)題的主要原因是工作液的溫度偏高，內(nèi)環(huán)境較差。為解決這些問(wèn)題，需要降低工作液溫度，本工程結(jié)合真空泵組原有工作系統(tǒng)和工程的特點(diǎn)，進(jìn)行了系統(tǒng)改造。

改造系統(tǒng)增加了1 臺(tái)多級(jí)水封和部分管道及閥門(mén)（見(jiàn)圖2），通過(guò)利用工業(yè)補(bǔ)水水溫較低、水質(zhì)較好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)改造系統(tǒng)與原有工作系統(tǒng)的耦合。當(dāng)外界環(huán)境溫度較高時(shí)，利用工業(yè)補(bǔ)水作為工作液開(kāi)式循環(huán)冷卻和密封，此種循環(huán)方式可以一直保證進(jìn)入真空泵內(nèi)的工作液為低溫的液體（20～25 ℃），極大地降低了工作液的溫度。

圖2 真空泵改造后工作系統(tǒng)圖

系統(tǒng)改造的主要特點(diǎn)：第一，充分利用工業(yè)補(bǔ)水水溫低、水質(zhì)好的特點(diǎn)，優(yōu)先進(jìn)行真空泵內(nèi)冷卻使用，最后至凝汽器進(jìn)行補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)了水的階梯利用。第二，改造系統(tǒng)工作液溫度低，能夠徹底解決因夏季溫度高而機(jī)組出力不足和氣化結(jié)垢的問(wèn)題，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。第三，改造僅增加1 臺(tái)自制的水封和部分管道閥門(mén)，投資小，收益大。第四，保留原有系統(tǒng)不變，進(jìn)行外圍系統(tǒng)改造，可方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的切換，運(yùn)行靈活。第五，改造系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不存在技術(shù)難點(diǎn)，運(yùn)行安全可靠。

5 改造后的效果

真空泵改造后凝汽器的凝補(bǔ)水優(yōu)先進(jìn)入真空泵充當(dāng)工作液進(jìn)行工作，分離器出口的工作液排出進(jìn)入凝汽器進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水溫度可以適當(dāng)提高，這樣可以提高凝結(jié)水的溫度，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行具有一定的經(jīng)濟(jì)性，改造后最主要的效果是工作液溫度由原來(lái)50 ℃降至25 ℃，運(yùn)行的背壓也由近13 kPa降至8.5 kPa，機(jī)組由改造前只能實(shí)現(xiàn)約90%的負(fù)荷，很容易達(dá)到100%負(fù)荷，提高了機(jī)組的出力，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。此外，改造以后，大修時(shí)未發(fā)現(xiàn)管道和分離器等出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，噪聲明顯降低，各工況下噪聲測(cè)試結(jié)果均低于85 dBA，說(shuō)明工作液溫度的降低對(duì)機(jī)組有很大的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合工程具有工業(yè)補(bǔ)水的特點(diǎn)，對(duì)原有真空泵工作系統(tǒng)進(jìn)行外圍改造，實(shí)現(xiàn)了階梯性的一水兩用。改造后工作液溫度大幅度降低，泵汽蝕問(wèn)題消除，噪聲明顯降低，提高了真空泵運(yùn)行的安全性。夏季運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的出力也能夠很容易由原來(lái)的90%額定負(fù)荷升至100%額定負(fù)荷，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。